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水循环的时间尺度与西北超深盆地调水增雨的作用过程: 热度 2 zhgatcl 2014-9-17 18:45; 水循环的时间尺度与西北超深盆地调水增雨的作用过程 ——学习钱磊老师关于水资源的 4 条基本原理的体会 1 与水循环有关的公认数据据研究，“地球上的总水量有 13.86 亿立方公里 , 其中 96.5% 在海洋里，有 13.38 亿立方公里；另有 1.76% 在冰川、冻土、雪盖中，是固体状态，约有 0.2436 亿立方公里；另有 1.7% 在地下，有 0.234 亿立方公里；余下不足 0.02% 分散在湖泊、江河、生物和大气之中，其中大气中的水分为 130000 亿立方米”。 “John Mbugua 等 1995 年估算的全球年水量平衡得到了 UNICEF 的认可，该估算海洋年蒸发量为 505000 立方公里，降水量为 458000 立方公里；陆地蒸发量为 72000 立方公里，降水量为 119000 立方公里 ” 。 2 气态水变成液态、固态水的平均时间（水汽在空中的平均停留时间 8.23 天）据 UNICEF 的权威公认数据，全球水汽总量为 13 × 10 12 m 3 ，年降水总量为 577 × 10 12 m 3 ，所以，全球水汽一年内平均更新次数 F=577 ÷ 13=44.385 。全球水汽在空中的平均停留时间 T=n ÷ F=365.25 ÷ 44.38 5= 8.23 天。 3 海洋内部水循环中，液态水蒸发变成空中水汽的平均轮候时间（ 2650 年）海洋液态水的总容量除以海洋每年的蒸发总量就是海洋液态水蒸发变成水汽的平均轮候时间，所以平均轮候时间为 13.38*100,000,00 0 ÷ 505000=2650 年。 4 海陆大循环中，液态水、冰川水蒸发变成空中水汽的平均轮候时间参与海陆大循环的液态水，先要从陆地径流到海洋，在陆地径流的时间受径流长度、径流速度等影响，不过一般情况下这段时间不会太长；到达海洋以后，蒸发变成水汽的轮候时间与海洋内部水循环的液态水一样。所以，参与海陆大循环的液态水蒸发变成水汽的轮候时间大约也是 2650 年。参与海陆大循环的冰川水，先要融化为液态水，再径流到海洋，再轮候蒸发变成水汽。因为冰川水融化变成液态水的时间一般较长，所以，参与海陆大循环的冰川水蒸发变成水汽的轮候时间可能远远大于 2650 年。 5 陆地内部水循环中，液态水、冰川水蒸发变成空中水汽的平均轮候时间与海洋液态水相比，参与陆地内部水循环的液态水不需要轮候很长时间，就可能被地表蒸发、植物蒸腾、水面蒸发变成为空中水汽，液态水变成空中水汽的时间较短。以青海湖流域为例，青海湖的总容量约 740 亿方，青海湖水面年蒸发产生 40.5 亿方水汽，所以青海湖液态水蒸发变成空中水汽的平均轮候时间约 18.3 年。青海湖是我国最大的湖泊，湖泊的平均深度较大，其它湖泊液态水蒸发变成空中水汽的时间可能短一些（与湖泊平均深度的关系较大）。参与陆地内部水循环的冰川水，先要融化为液态水，再由液态水蒸发变成空中水汽，或者由冰川水直接升华变成空中水汽。因为冰川水融化变成液态水的时间一般较长，所以，参与陆地内部水循环的冰川水变成水汽的时间较长。 6 全球液态水和冰川水等变成水汽的平均轮候时间（ 2402 年）全球固态和液态水的总量除以年蒸发总量就是全球固态和液态水变成空中水汽的平均轮候时间，具体数据为 13.86*100,000,000 ÷ (505000+72000)=2402 年。 7 决定水循环速度的主要影响因素由前面的分析可知，由气态水变成液态和固态水只需短短几天，但由液态水和固态水变成空中水汽平均要花去 2402 年。空中水汽主要来自海洋蒸发，所以，水循环的速度往往由水的蒸发速度决定，水循环一个周期的时间长度主要由液态水和固态水变成空中水汽的时间决定。 8 西北超深盆地调水增雨的作用过程、主张向西北特别是新疆调水的理由 8.1 钱磊博士关于水资源的 4 条基本原理一是降水量依赖于水的蒸发，与太阳能有关。二是水资源量与水循环速度有关，循环速度越快，水资源量越多。三是山水相伴，山是水的磁石（吸引子）。四是水资源缺乏的本质是降水在时间和空间上的不均匀。详见钱磊博士的博文 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=117333do=blogid=825917 。 8.2 “山—盆结构”是调水增雨极其有利的宏观地形一是西北盆地底部有大片沙漠，太阳能充足，有利于水的蒸发；二是盆地四周是巨大山脉，是水的磁石（吸引子），有利于地形雨的形成；三是水循环的速度极快，夏天一个月左右就能完成一个完整的水循环（由气态水变成地形雨的时间仅8天左右，地表径流和浇灌农作物、蒸发蒸腾为水汽可能只需要一、二十天），这样的循环速度比全球水循环的平均速度快一万倍。以上三点与钱磊博士的前3条基本原理相符，有利于当地水资源的增加。超深盆地调水增雨的作用过程可概括为：向超深盆地跨流域调水，这些外来水源在盆地底部浇灌农作物，蒸发蒸腾为水汽，水汽在盆地四周巨型山脉的山地变成地形雨；水往低处流，这些地形雨的降水流回盆地底部，再浇灌农作物，再蒸发蒸腾为水汽，再在盆地四周山地变成地形雨；如此循环往复，外来水源被不断重复利用致使当地水资源大幅增加（肯定有少部分水汽飘出超深盆地，但盆地底部蒸发的大部分水汽将如此循环）。 8.3 主张向西北特别是新疆调水的 4 点理由一是新疆的宏观地形是三山夹两盆，“山—盆结构”对调水增雨极为有利。二是我国西南属湿润地区，西北属干旱地区，从多水的西南向缺水的西北跨流域调水是我国水资源空间分布的客观事实决定的。三是我国北方地处北半球西风带，西北位于上游，新疆位于最上游。向新疆调水，蒸发蒸腾的水汽除在新疆变成降水以外，飘出超深盆地的少量水汽可能在河西走廊和阿拉善高原变成降水；这些降水再蒸发蒸腾为水汽并向下游输送，可能在黄土高原再次变成降水；这些降水再蒸发蒸腾为水汽继续向下游输送，可能在华北平原再次变成降水。这类似于三级跳，从新疆到河西走廊是一跳，从河西走廓到黄土高原是二跳，从黄土高原到华北平原是三跳，向上游调水下游也受益。四是青藏高原属我国地势第一级台阶，西北属我国地势第二级台阶，从青藏高原的江河向西北调水基本上可以重力自流，节约能源，有些在水源地很难开发利用的水能资源通过调水能够得到开发利用，这时就相当于既调水又调电（如泊隆藏布江、易贡藏布江要流经著名的“排龙天险”，水能资源在当地开发利用难度极大，调水后这部分水能资源将在受水区得到开发利用）。向西北特别是向新疆调水与钱磊关于水资源的基本原理不谋而合。阅读参考资料： 1 、李小文：时间尺度效应：水循环（ 1 ） 2 、李小文：时间尺度效应：水循环（ 2 ） 3 、张学文：关于空中水大约 9 天循环一次问题的记注 4 、张学文：不同水体的数量与循环周期的关系满足幂律; 个人分类: 调水增雨观点|1750 次阅读|9 个评论

多时间尺度等效时空邻近域及聚类分析结果: wwh1295 2014-9-1 15:35; 参考时间序列混合模型，等效时空邻近域中的△ T 定义为：其中， D day 为两个案事件发案时间（ d 1 、 d 2 ）的标准化值之差； D week 和 D hour 的表达式如公式 4 和公式 5 所示，其中 A 为比例系数，△ w 和△ h 分别为两个案事件发生星期日之差与时段之差。为了保证两个时间尺度周期性影响的一致性，将△ w 和△ h 分别除以 6 π和 11 π再代入公式计算。利用多时间尺度等效时空邻近域密度聚类算法，本文获得了在上述大的聚类簇中获得了更加深入的时空内在特征。时空聚类的结果共发现了37个较大的时空簇C 1 -C 37 ，这些时空簇大都分布在上文提到的前两个案事件聚集区域，而且很多在空间上存在着重叠现象。每一个时空簇代表了一类犯罪的时空模式，从单个时空簇来看，空间上可以看出其分布特征，如图9(a)所示，C 37 在空间上呈现南北走向的狭长分布，位于福州市中心区域；时间上通过分时统计时空簇内的案件数量以及与该时段案事件总量的比值，获得该簇时间上的热点与相对热点，如图9(b)所示，C 37 在时间分布在2013年12月3日-12月31日时间段内的周一，以及周末的21-1时。主要集中在周一的9-11时、13-17时，同时，与案件总数的占比中发现该时空簇的相对热点（异常）情况，C 37 中周一的1-3时发案数量占该时段案件总数的16%。从多个时空簇来看，可以发现其时空偏移情况。本文从时空聚类结果中选择 7 个时间重叠性较小的典型时空簇，从图 10(a) 、图 10(b) 中可以发现，时空簇的空间重叠性较明显，且其规模和聚集范围随时间呈减小的趋势；从图 10(c) 、图 10(d) 中可以发现时空簇随时间变化在不同方向上有一定的空间偏移特征，具体来说，在 X 方向（东西方向）上， 2013 年上半年案事件聚集趋势向东小幅度偏移，而到下半年则向相反方向偏移；在 Y 方向（南北方向）上， 2013 年上半年案事件聚集趋势向南偏移较为明显，而下半年没有明显的变化特征。从以上分析可以看出，本文提出的多时间尺度等效时空邻近域密度聚类算法（MTS-ESTN DBSCAN）更加符合带有社会性质的点事件的聚类特征，对案事件的聚类结果表明，其在分析犯罪聚集状态与时空模式方面能够发现其内在的时空特征的优势，这对于进一步深入研究城市犯罪地理和警务决策部署具有一定的理论意义和实际价值。参考文献：裴韬 , 李婷 , 周成虎 . 时空点过程：一种新的地学数据模型、分析方法和观察视角 . 地球信息科学学报 ,2013,15(6):793-800. 宋马林 , 王舒鸿 , 汝慧萍 . 一种新的考虑时间和空间的相关系数及其算例 . 数量经济技术经济研究 ,2010,(7):142-152. 韩苗 . 周期相关时间序列与周期自回归模型 . 大学数学 ,2007,23(4):99-103. 范宇萃 . 基于时空相关性分析的城市交通模式评价研究 . 青岛 : 山东科技大学 ,2010. 刘彦 . 一种基于时间相关度的盲分离方法 . 信号处理 ,2009,(2):204-209. 杨尚森 . 数据挖掘中聚类分析算法性能探析 . 计算机与数字工程 ,2007,35(11):6-8. 张善文 , 雷英杰 , 冯有前 .MATLAB 在时间序列分析中的应用 . 西安 : 西安电子科技大学出版社 ,2007.; 3 次阅读|0 个评论

翻阅“演替”理论历史—从杂遝到简洁: 热度 10 Wildbull 2014-8-25 09:28; 云谲波诡、风花雪月、草木轮回、沧海桑田……尘世间万物皆变，植被亦如此。演替—植物群落结构在时间尺度上的序列关系，演替—地质历史变动轨迹中植物的归宿性反应 …… 它有方向，或有终点？是什么驱动森林或草原像云雾式地消散或折回？ “演替”这个植物学上的核心概念自 18 世纪开始就受到人们的关注，演替模式（轨迹） · 机制也是人们长期探索的问题，倾注了无数科学家的心血，因此也诞生出了各式各样的概念、模型或理论，但也不乏争议。一、在时空尺度中丈量演替离开空间尺度来谈论植被的时间变化规律几乎是没有意义的，因为植被的变化必须耦合在时空尺度之中！一些植物地理学或植物生态学家早已关注这样的问题。图 1 显示植被的变化跨越巨大的时空尺度，为了方便起见，可将从短到长的变化依次称为波动（ Fluctuation ）、林隙和斑块动态（ Gap and patch dynamics ）、周期性演替（ Cyclic succession ）、次生演替（ Secondary succession ）、原生演替（ Primarysuccession ）和久期演替（ Secular succession ）；而在空间上，从个体 → 种群→群落→景观→群系→整个生物圈！图 1 植被动态变化的空间（ m ）和时间（ yr ）尺度（引自 van der Maarel 1996 ）二、演替理论之来龙去脉从某种意义上来说，长期的生态演替（ Secular ecological succession ）早在 18 世纪就曾引起林奈（ Linnaeus ）、布丰（ Buffon ）以及在 19 世纪引起奥古斯丁·彼拉姆斯·德·堪多（ Augustin-Pyramus de Candolle ）、洪堡德（ Humboldt ）、莱尔（ Lyell ）等的注意（ Lawley 2009 ）。 19 世纪初，法国博物学家 Dureau de la Malle （ 1825 ）首先使用了演替一词来描述森林砍伐后植被的发展过程。 1860 年，美国哲学家和自然主义者亨利•梭罗（ Henry David Thoreau ）在其撰写的“ The Succession of Forest Trees ”一文中，从直觉的科学观点阐述了生态演替是如何进行的，认为动物和气象（风、雨水）对树木种子的搬运作用扮演了重要角色，较轻的种子（如松树和枫树的种子）主要通过风和雨水搬运，而较重的种子（如橡子）通过动物搬运。譬如，通过松鼠搬运橡子，使松树被砍伐后橡树得以取而代之，而后地下的松子又可使松树取代橡树。十九世纪末，美国植物学家 Cowles （ 1899 ）研究了 Michigan 湖岸的沙丘上的植被的发展过程，进一步发展了演替的概念。他阐述了原生演替及其序列（在特定环境下一系列可重复的群落变化）的思想，正如他所指出的“ The ecologist, then, must study the orderof succession of the plant societies in the development of a region, and hemust endeavor to discover the laws which govern the panoramic changes ”。二十世纪初，美国植物学家 Clements （ 1916 ）首次将演替描述成由下述六个基本过程所组成： 1）裸化（ Nudation ）：演替起始于裸地（如由于扰动）的发展； 2）迁移（ Migration ）：植物繁殖体的到达； 3）定居（ Ecesis ）：建群和植被的初期生长； 4）竞争（ Competition ）：当植被开始建立、生长和扩张时，各物种开始为空间、光照和营养竞争，导致一种植物被另一个所取代； 5）相互作用（ Reaction ）：植物的生长和死亡影响栖息地环境，而这反过来又影响资源的可得性； 6）稳定（ Stabilization ）：这种相互作用最终将导致顶级群落的出现。这一描述性的演替理论对后来的生态学思想产生了巨大的影响，被认为是一个经典的生态学理论， Clements 也被称为植物群落演替理论的奠基人。不久，美国植物学家 Gleason （ 1927 ）对演替的概念重新进行了讨论，提出了与 Clements 明显不同的观点，认为演替更复杂，更具不确定性，随机因素的作用更大，否认具有一致的、清晰分界的群落类型的存在。三、五花八门地划分演替人们为了从各种角度认识演替，依据不同的原则对演替进行了分类。常见的，可按基质性质、生态系统层次、驱动因素、经历的时间以及生态系统类型等来划分演替的类型如下： 1. 按演替起始时的基质性质可分为以下二类：原生演替（ Primary succession s ）—指发生在原生裸地（ barren land ）上的演替。所谓原生裸地就是从来没有植物覆盖的地面（如新暴露的岩石、沙丘等），或者是原来存在过植被，但被彻底消灭了（包括原有植被下的土壤）的地段。原生演替一般起始于一些新形成的（如火上喷发）裸地，也可以说是从没有生命体的一片空地上开始的植被类群的演替。现在地球上所有的动植物和土壤都是原生演替的产物（ Walker Moral 2003 ）。图 2 是发生在沙丘上的原生演替。图 2 在沙丘上的原生演替。滨草是最先建群的植物，它可稳定沙丘，使灌木和树能生长（引自 Miller Harley 2001 ）次生演替（ Secondary succession ）—指发生在次生裸地（ secondary barren ）上的演替。所谓次生裸地是指原有植物群落被破坏（如森林砍伐、火灾、洪水等），但原有植被影响下的土壤条件仍然存在或受到很少破坏，甚至还残留原有植被的种子或繁殖体的裸地。也有一些学者认为次生演替也可称之为再生演替（ regeneration succession ），因为确实是生物群落的再生（如 van der Maarel 1988 ）。图 3 是森林砍伐形成的次生裸地。图 3 砍伐前（ A ）和砍伐后用于耕作（ B ）的巴西热带雨林。土壤很快贫瘠，然后弃耕，再转移到邻近的森林。弃耕后便开始次生演替（引自 Miller Harley 2001 ） 2. 按生态系统层次可分为：种类演替（ Species succession ）：这一词语在（无论陆生还是水生）生态学论文中用法十分广泛，但仅指种类的更替而已。种群演替（ Population succession ）：也有一些学者使用这一词语，如 “ bird population succession ”、“ microbial population succession ”等，含有种群数量信息（如优势种群）的种类演替的用法；此外，也被用于社会科学中与人口相关的描述，如 “ human population succession ” 。群落演替（ Community succession ）：是指植物群落发展变化，一个群落代替另一个群落的自然演变现象；演替具有方向性，即由低级到高级，由简单到复杂，一个阶段接着一个阶段。生态系统演替（ Ecosystem succession ）：也有一些学者使用“生态系统演替”的概念，譬如 Gutierrez 和 Fey （ 1980 ）在其专著“生态系统演替”中这样描述道：“自然生态系统如湖泊、草地和森林从其发展早期向成熟演替，此时动植物群落与其物理环境达到一种平衡状态”。其实，生态系统演替在本质上就是我们前面讲述的生态系统稳态转化。一般来说，用生态演替（ ecologicalsuccession ）泛指以群落演替为主的演替的用法最为广泛，当然，群落演替的用法也十分广泛，而生态系统演替的用法并不常用。而种类演替、种群演替基本不是通常意义的演替。 3. 按演替的驱动因素可分为：群落发生演替：指在原生或次生裸地上植物群落入侵与发生的过程；内因生态发生演替（或内因动态演替）：由植被自身变化驱动的演替。譬如，植物的生长可导致土壤有机质的积累，改变土壤的养分和 pH ，从而驱动群落的演替。外因生态演替（或外因动态演替）：由外部环境影响（而非植被本身，如动物活动与牧食、火山喷发、洪水、火烧等）驱动的演替。地因生态演替：由于大范围内统一的变化所导致植物群落变化的过程，如整个区域地理环境的改变所引起的演替。这种按演替驱动因子来划分群落演替类型是前苏联植物学家 Cykaqëb BH 于二十世纪中叶提出的（曲仲湘等 1984 ）。其实，群落发生演替可以理解为演替的早期，此阶段植物对环境的改变作用有限，而内因生态演替可以理解为演替的后期，植物的生命活动显著改变土壤环境，而外因生态演替则是较强烈的环境（或周期性）扰动的结果，应该还未严重到形成原生或次生裸地的程度。而地因演替则是指大时空尺度（地理）环境变化驱动的植被变化。 4. 按演替所经历的时间长短可分为：快速演替：在数年乃至十几年间所发生的演替；长期演替：数十年甚至达百年的演替；世纪演替：在地质年代尺度上的演替。 5. 按生态系统类型可分为：水生演替系列（ Hydrosere ）石生演替序列（ Lithosere ）沙生演替序列（ Psammosere ）旱生演替序列（ Xerosere ）盐生演替序列（ Halosere ）四、困惑—演替的轨迹与终点自生态科学存在以来，森林群落演替的方向性和终点就是一个关注的主要焦点之一。其中，以顶级群落理论为代表的学说认为植物群落的演替最终将会趋于稳定群落。 1. 演替终点气候顶级学说： Clements （ 1916 ）最早使用顶级（ climax ）这一词语，提出了单一的气候顶级（ Climatix climax ）的思想。他认为，某一区域内的植被演替的终点取决于该地区的气候条件，将会出现与气候条件相适应的优势群落，在气候条件相对稳定、没有其它干扰的情况下，不会出现新的优势植物，即形成所谓气候顶级群落，也称为单顶级（ Mono-climax ）。根据这一学说，一个气候区只有一个潜在的气候顶级群落，只要经过充分的时间，该区域的任一生境最终都能发展到这种群落。尽管 Clements 的气候顶级学说备受争议，但这一学说对后来的生态学思想的强烈影响仍然长达半个世纪之久（ Selleck 1960 ）。多顶级学说：在 Clememts 气候顶级学说的基础上， Tansley （ 1939 ）提出了多顶级（ polyclimax ）学说，认为一个气候区域内可以有多个顶级群落，除了形成气候顶级之外，还可以有土壤顶级（ edaphic climax ）、地形顶级（ physiographic climax ）、由放牧或动物啃食形成的生物顶级（ biotic climax ）、由人类活动维持的人为顶级（ anthropeic climax ）以及演替偏向了一个新的线路因此维持在一个新的平衡下的偏途顶级（ plagioclimax ）等。也就是说，气候顶级是气候在较大范围内控制植被演替的结果，而其它演替类型则来源于除气候外的其它因素在较局域的尺度上对植被演替的控制。顶级群落格局学说： Whitaker （ 1953 ）通过对沿环境梯度的种群分布的分析，提出了顶级群落格局假说（ climax pattern hypothesis ），他提出用与环境梯度相应的逐渐变化的群落格局来解释多顶级现象，认为格局中心分布最广的群落类型就是气候顶级。他建议用可定义的优势顶级（ prevailing climax ）还取代不可定义的气候顶级。所谓优势顶级群落指占据最大区域的植被类型。这三个学说既有联系又有区别，也是人们对演替终点认识不断深化的过程。气候顶级应该真实地反映了大尺度的气候条件对植被演替终点的影响，而多顶级学说补充了局域尺度的植被演替终点的控制机制。顶级群落格局学说与多顶级学说并无本质的区别，只是后者特别强调了群落变化的连续性。其实连续和非连续也是辩证统一的，它们都是植被格局的真实反映。 2. 演替的轨迹 Frelich （ 2002 ）提出了关于植被演替轨迹的五种模式： 1 ）平行演替、 2 ）周期性演替、 3 ）趋异演替、 4 ）趋同演替和 5 ）个性化演替（图 4 ）。平行演替指群落 A 和群落 B 在扰动后又各自回复到原来状态的演替。如在北美的北方森林中存在相邻的短叶松和黑云杉林分，在这样的区域发生林分替换火，火前林分是唯一种源，火后植被也维持同样的树木组成（ Dix Swan 1971, Johnson 1992 ）。图 4 演替方向的五种模式（引自 Frelich 2002 ）周期性演替主要指由于环境因子的周期性干扰而引起的演替，这种周期性干扰可以是较短的时间尺度（如昆虫的周期性暴发），也可以长久的地质时间尺度（如气候周期）。如在严重的火烧之后，首先山杨侵入，接着红棕及其它中度耐荫种跟进，然后是耐荫性的北方硬木树种和铁杉，一直持续到下一个火烧的来临，又重新回到山杨开始的演替周期（ Lorimer 1977 ， Frelich2002 ）。趋同演替就是 Clements （ 1936 ）提出的经典演替模式，即处于二个或多个状态的植被（状态 A 和 B ）随着时间的推移最终趋向于状态 C 。譬如，二个分别被演替早期或中期树种（如山杨和白松）占据优势的相邻的火后林分均会向耐荫的糖枫和铁杉演替。趋异演替指一个群落（状态 A ）随着时间的推移分歧到二个或多个状态（ B 、 C 等）的演替，主要是最初的微小差异被逐步放大，最终稳定下来（ Wilson and Agnew 1992 ）。譬如，火后的山杨林分很容易在相邻的三个地点演替成松树、橡树和枫树，这可能由于适合于不同种类的土壤的差异或种源的差异造成的。五、演替的方向和轨迹依赖于时空尺度对陆地植物来说，没有什么比气候对其地理格局的影响更为重要的了，气候在不同时间尺度上的波动深刻地影响着植被的变化、演替和演化。谈论演替离不开时空尺度，演替的单顶级和多顶级学说的正确与否其实与时空尺度密切相关。 1. 中短时间尺度的植被演替—趋于区域气候顶级如果以较大（区域）的空间尺度来看，在中等时间尺度（数百年内）的次生演替可能符合气候顶级学说。在地理尺度，气候类型几乎没有争议地决定了大的植被类型，譬如，典型的草地位于降雨量既不能高到孕育森林生态系统的水平，也不可能低到出现沙漠的地步，换言之，在低温、少雨的北方草原地带，决不会演替出热带雨林，而同样在高温的热带地区，多雨的热带雨林地区决不会演替出干旱的刺林植被！因此，从一定气候背景下的植物群系的地理格局来看，演替是有方向性的。这就是说，某一地区的气候类型（如降雨量水平）也基本决定了与此相适应的植被演替的群系类型。如果以较小（局域）的空间尺度来看，局地非生物环境的异质性、异常复杂的生物间相互作用以及植被地理演化历史等的差异可以呈现丰富多样的植被类型，特别是在群落类型丰富的地域（如湿润的热带 - 亚热带地区），即可能遵循所谓多顶级学说。 2. 长时间地史尺度的植被演替—难觅严格的周期性更替在较小的时空尺度，你能观察到演替的多种轨迹，如平行、趋同、趋异、个性化和周期性等。但当你把时间尺度扩展到 1 万年左右，你从孢粉中居然还看不到森林演替的 1 个周期。地球上的气温呈现周期性的波动，但无论植物还是动物，都看不到周期性的群落类型。气候在周期性波动中推动物种的革新，旧的物种不断消亡，新的物种不断形成，总体上说，物种的形成速率远高于物种的消亡速率，地球上的生命系统似乎始终处于发展与进化之中。因此，从万年以上的时间尺度来看，似乎不存在所谓的气候顶级，也不存在严格意义上的群落的周期性更替。结语有关植被演替的论文或专著可谓汗牛充栋，各种模型之复杂程度令人一筹莫展！人们在纷繁复杂的表象世界中迷失了自我 …… 人们经常争议演替有无方向性、演替的轨迹是否可预测，其实，离开了时空尺度，这些争议将失去意义。过去关于演替的理论或学说如此纷杂，其实原理却十分简单：中短时间尺度的植被演替趋于区域气候顶级，而在长时期的地史尺度上则难觅严格的周期性更替。随着时空尺度的扩展，演替过程呈现出从决定性与可逆性向随机性与不可逆性演进的趋势。这种地史尺度上植被演替的不可逆性恰好与绝大多数物种难逃灭绝厄运的化石证据十分吻合。主要来源：谢平. 2013. 从生态学透视生命系统的设计、运作与演化—生态、遗传和进化通过生殖的融合. 北京：科学出版社（英文： Xie P. 2013. ScalingEcology to Understand Natural Design of Life Systems and Their Operations andEvolutions – Integration of Ecology, Genetics and Evolution through Reproduction. Beijing: Science Press）引述该博文的相关内容时，请引用该专著。下载： http://wetland.ihb.cas.cn/lwycbw/qt/ ）注：笔者在之前的博文中介绍了人为的持续性扰动对植被演替的影响（见博文：英国人用百年生态试验换来一个植被演替的谬论？），现今全球植被的静态格局（见博客：为何内蒙古披裹无垠草原，而亚马逊雨林娇娆？），人类活动与气候变化对植被格局的影响（见博文：植被宛如浮云—人与自然之较力）。; 17535 次阅读|9 个评论

全球气候变化之真相——淡定 or 惊慌: 热度 31 Wildbull 2014-7-23 20:41; 在过去的 100 年，人们观测到全球气温上升了约 1 ℃ ，并伴随有 CO 2 浓度的扬升。这些信息让世界为之震惊，推动着全球气候（特别是温度）变化成为当今世界的热门话题，甚至对政治与经济格局也产生着不容忽视的影响。但一般的社会公众知晓全球气候变化的真相吗？这上扬的 1 ℃ 真的会产生让人惊恐的影响吗？我们人类有能力抵御全球的气候变化吗？一、不同时间尺度的气候变动 1.100 年以来的温度变化—气温上升约 0.7 o C 二十世纪全球近地表平均温度的变化如图 1 所示，实测值（黑线）与根据既考虑了自然因素又考虑了人类活动对气候影响的十多种模型模拟的平均值十分吻合。大致可以看出，近几十年来，气温呈现稳步上升的趋势，即与 1901-1950 年的平均值相比，全球平均气温大约上升了 0.7 ℃ 左右。图 1 二十世纪全球平均近地面温度，基于观测值（黑线）以及根据既考虑了自然因素又考虑了人类活动对气候影响的十多种模型进行的 58 个模拟值（黄色），这些模拟的平均值如红线所示。温度距平相对于 1901-1950 年之间的平均值。垂直灰线主要火山喷发的时期（引自 Randall et al. 2007 ） 2. 距今 100 万年以来—约 10 万年周期的冷暖交替，变温幅度 3-5 o C 距今大约 2 万年前，北半球的许多地方曾被冰川覆盖着；自 85 万年开始，重复着冰川的逐渐累积、突然的温暖气候和短暂的冰川退缩期（称为间冰期），每个冷暖交替周期大约持续 10 万年左右，每个周期最高与最低温度之差大约在 3-5 o C 之间（图 2D ），这种周期性的变化被认为主要是由于地球在绕轨道运动时倾斜发生变化引起的。在北美，最晚的冰进（ glacial advance ）称为威斯康辛冰期（ Wisconsin glaciation ），这是以其扩展到的最南端的地点之一来命名的。最近的暖期始于 12000 年前（图 2C ），约在 7000 年前达到最高，然后开始下降（图 2B ）。如果不考虑人类活动带来的温室效应，在接下来的几千年将会出现冰川的增长（ Gurevitch 2002 ）。图 2 各种地质时期的全球温度：（ A ）过去 1000 年，（ B ）过去 1 万年，（ C ） 14 万年，和（ D ）过去 85 万年（ Gurevitch 2002 重绘自 Gates1993 ） 3 ．距今数亿年以来—约 1 亿年周期的冷暖交替，变温幅度接近 20 o C 地球的气候自现代大气形成后在“冰室 icehouse ”和“温室 greenhouse ”中切换，在过去的 5 亿年间，出现了 4 个主要的暖期和 4 个主要的冷期（图 3 ）。在冷期，极地以及相当大量的陆地被冰川覆盖，全球平均温度低；而在暖期，极地冰川很少或消失，陆地冰川消失。暖期常出现高的大气 CO 2 水平，而冷期则常出现低的大气 CO 2 水平。在深时“ deeptime ”（距今 1-10 亿年期间）的大部分时间，地球的气候主要是温室条件，但被若干冰室事件所打断，近期主要是逐渐变冷的过程占优势，导致了过去 200 万年冰期的出现；现今 1 万年的间冰期是过去 200 万年占优势的冰室条件的几个短暖期插曲之一（ Hannah 2011 ）。图 3 过去 5 亿年的全球温度变化，有 4 个主要的温室期（地球上大部分地方无冰覆盖）和 4 个主要的冰室期（形成大量极地或陆地冰原），现在的气候是在冰期中的一个暖期（ Hannah 2011 根据 ChristopherR. Scotese 重绘）从数亿年的时间尺度来看，地球平均温度的波动很大（从图 3 不难看出，冷—暖周期最高与最低温度之差可接近 20 o C ！），总体来看，地球的气候在湿—热与干—冷之间大幅变动。在地球历史的大部分时间，气候比现代要温暖得多，而其它时期，地球比现在要冷。在前寒武纪末以及石炭纪、二叠纪和第四纪，大量的区域被冰川所覆盖，但是这些冷期被长时期的较温暖的时期所隔开。二、不同时间尺度上的植被变化地球上生命的演化历史无不留有气候变动的烙印，历史气候主宰着地球上针植物群落的演替、更新及演化。 1. 末次冰盛期（约 1.8 万年前）以来的植被格局变化热带植被格局在末次冰期（ 18000-12000 yr B.C. ），撒哈拉沙漠显著扩大，然后，在冰后期（ 9500-4500 yr B.C. ）又收缩，在那时，廷巴克图附近的尼日尔河形成了一个有着 20000 km 2 面积的泛滥平原的内陆山角州，而现在，撒哈拉沙漠的面积又扩展到了接近末次冰期时的面积（图 4 ）（ Petit-Maire 1984 ， Lüttge 2008 ）。近代的研究显示，在 1942-1966 期间，随着降雨的增加，稀树热草原扩张；之后又出现了频繁而延长的干旱期，导致植被萎缩（ Lüttge 2008 ）。图 4 过去 18000 年被撒哈拉沙漠面积的波动（ Lüttge2008 仿 Petit-Maire 1984 ）在过去的 2 万年期间，非洲大陆的植被经历了巨大的变化（图 5 ）。有证据显示，在末次冰期期间，温度和降雨大幅降低，森林覆盖率很低，随着气候向暖湿的转变，森林覆盖逐渐增加，大约在 10000-8000 年前达到最大，并一直持续到大约 5000 年前。之后，非洲中部降雨开始减少，大约在 3000-2500 年前，在刚果南部以及其它季节性干旱极为严重的区域，森林退化为草地。在最近的千年以来，非洲中部的森林又有重新扩展的趋势，约以每世纪数百米的速度，可能与重新回归到较湿润的气候有关（ Lévêque and Mounolou 2003 ）。图 5 非洲大陆现在、 8000 年前以及 18000 年前主要植被类型的分布格局示意图（引自 Lévêque and Mounolou 2003 ）欧洲植被格局 Adam （ 2009 ）通过重建欧洲古植被图，比较了被人类进行农耕毁林前的现在的间冰期（图 6 上）和末次冰期期间（图 6 下）的植被变化，探讨了冰期对植被分布格局的影响。欧洲冰期的气候既干又冷，导致现在分布着森林的大部分区域在那时演变成了草原，这种情况在南欧尤其如此，那里冰期的气候曾经应该对许多树种足够的温暖。图 6 重建的欧洲植被图，上图为被农耕毁林前的现在的间冰期，下图为末次冰期期间。冰期植被由于干冷的联合影响几乎缺乏森林覆盖（引自 Adam 2009 ） 2. 始新世（约 5000 万年前）以来—陆地植被格局变化巨大在过去的数千万年间，北部海域（ North Sea ）温度大幅波动（图 7a ），海平面大幅变化，动植物在陆块之间获得扩散机会。伴随着板块漂移及气候变化，植被的地理格局也发生了巨大的变化：大约在距今 5000 万年前（始新世早期），出现不同的植被带（图 7b ），到了 3200 万年前（渐新世早期），这些植被带变得更加明晰（图 7c ），而到了 1000 万年前（中新世早期），各大陆现在大部分地貌已经形成（图 7d ），虽然与今天的气候和植被有极大的不同（引自 Begon et al. 2006 ）图 7 在过去的 5000 万年期间，北部海域温度的变化（ a ），以及伴随着大陆漂移出现的植被格局的变化（ b-d ）。南极冰帽的位置极为概略（引自 Begon et al. 2006 ）结语在不同的时间尺度上，全球气温呈现出幅度不同的周期性波动。从近 5 亿年的气温模式来看，地球往返于“冰室”和“温室”之间。若以季节来比喻，现在的地球宛如四季之春。与历史上的大幅波动相比， 1 o C 的扬升真可忽略不计，不值得惊呼。但在宏阔的“冰室”和“温室”面前，一切生命（包括人类在内）都无法阻挡，它重塑地貌，重塑生命，它“随意”地将森林变为草原甚或沙漠，它也能“轻易”地将荒漠染成绿洲。古人云“沧海桑田”，这是古辈们对地貌剧烈变动的一种深刻描绘。按照 Tennyson 的话说，大陆会像浮云似地消散，最坚固的岩石会出现褶皱，群山会像波浪似地起伏（巴兰金 1988 ）。主要来源：谢平. 2013. 从生态学透视生命系统的设计、运作与演化—生态、遗传和进化通过生殖的融合. 北京：科学出版社（英文： Xie P. 2013. ScalingEcology to Understand Natural Design of Life Systems and Their Operations andEvolutions – Integration of Ecology, Genetics and Evolution through Reproduction. Beijing: Science Press）引述该博文的相关内容时，请引用该专著。电子版下载： http://wetland.ihb.cas.cn/lwycbw/qt/; 24213 次阅读|63 个评论

《公共物理学讲义》（3）: 热度 3 等离子体科学 2011-9-21 12:07; 在物理学会秋季会议上讲了这门课的设想，得到共鸣，很高兴——想到一起去了！有出版社来约稿——大概至少要先讲一遍才敢拿出去。现在贴的也还是一个骨架，讲的过程中还要改。 1.3 “惯性”与时间尺度那么，对一个具体问题，怎样来找特征时空尺度呢？我们先从时间尺度分析开始。在平面上放一些塑料球、再放几个同样大小的钢球，随机地晃动（或者用风从各个方向吹）——塑料球到处乱跑，而钢球基本不动。踢一个足球，可以飞很远；踢一个同样大小的铁球，却几乎不动——同样的力作用在不同的物体上，质量小的很快就可以改变运动状态，质量大的却很慢——所以质量与“快慢”是直接相关的！也就是说，一个物体（或者物理系统）运动的特征时间尺度是其所包含物质多少（也就是说，其物质多少的量度——质量）所决定的。定量的描述，就是牛顿的第二运动定律： F=ma 。这里 F 是作用力（ force ）， m 是所研究物体（或系统）的质量（ mass ）， a 是其在 F 作用下得到的加速度（ acceleration ）。宇宙中可观测到的物质，主要是等离子体。等离子体是由电子和质量比电子大上千倍的离子组成的。所以研究等离子体物理问题的时候，我们常常看到，电子的物理性质已经“面目全非”，离子还基本上是“依然故我”。而在离子的“慢”时间尺度上，电子几乎是瞬间响应——亦步亦趋！这就像一个人参加一个上百人的旅游团——尽管你可能完全是个陌生人，而人家是同一个单位的——只要跟住导游，就没有问题。另外那些人哪怕是一个令行禁止、久经训练的特种兵连队，对任何一个变化的“整体”响应时间一定比你个人的响应时间长得多。但是如果你是导游，你就要记住不管你怎么慢，这个团体响应你的“命令”的时间一定更慢！而且人越多越慢——你带一个家庭（几个人）走，时间一定比带一个几十人的团要快。如果你带一个几百人的团，即使再有 10 个导游帮助你，“整体”响应时间一定要比每个人带几十人的响应时间长得多。——一般来说，这个特征时间与人数的平方根成正比。我们经常说“国情”：中国是一个十几亿人口的大国。这句话其实是非常科学的。也就是说，中国这个国家的“惯性”比其它国家要大得多。因此，讨论有关中国的社会性问题，时间尺度就要比“一般的”国家的社会问题的时间尺度要长得多——要有耐心！老子有所谓“治大国，若烹小鲜”一说。《韩非子 · 解老》篇曰：“事大众而数摇之，则少成功；藏大器而数徙之，则多败伤；烹小鲜而数挠之，则贼其泽；治大国而数变法，则民苦之。是以有道之君贵静，不重变法。故曰：‘治大国者若烹小鲜。’”说的就是这个道理。如果政策像“天上的月亮”，甚至法律也是说变就变，百姓就无所适从。一个人可以每年有一个“ New Year Solution ”，而且被认为是积极进取的标准；而一个国家则 200 年用同一个宪法，只是加上几个“修正案”而已，却被屡屡称道。所以，我们要根据实际来发现体系的特征时间尺度，根据这个特征时间尺度来做近期的、中期的、长远的规划。 1.4 “测度”与空间的“点、线、面” “空间”尺度的测量以“测度”为基础。这里的“空间”可以是任意的参数空间。在真实空间里，一个区域（开或闭）的“测度”在一维空间就是其长度、在二维空间就是其面积、在三维空间就是其体积。所以空间的“几何点”的测度是零——即使是无穷多个几何点的集合，其测度也还是零。比如 0 和 1 之间所有的有理数的集合。同理，一条“几何线”的二维测度是零；而一张“几何面”的三维测度也是零。所以说，“非零”测度要求一个“邻域”！在物理学中，这个“邻域”可能对应着“磁力线”的粗细、“磁面”的厚薄（等离子体物理的磁流体理论）或者“坐标轴”的粗细（“十维时空”的理论）。在“参数空间”里，也不会有真正的“几何点”。从测量的角度来说，任何测得的参数值都是在一定的误差范围（ error bar ）内。在这一点上，我们把测量和“过程”联系起来了。这是我们研究问题要特别注意的：没有“绝对准确”的测量结果——或者说：“点”有大小、“线”有粗细、“面”有厚薄——“细节”，是我们不需要 “看到”的！如果要看“细节”，我们就进入另外一个领域，在这个新的领域里，又会有新的不需要“看到”的、可以忽略不计的“细节”。; 个人分类: 学海无涯|4462 次阅读|8 个评论

种地的物理学: 热度 3 等离子体科学 2011-4-28 09:35; 2011 年上半年——菜卖不出去了！去年菜农可以卖七元到十几元一斤的菜，一两元一斤、甚至几毛钱一斤都卖不出去。同比十几倍的下降！！ 2009 年下半年——中国的蒜价发飙了，从 08 年的每公斤几毛钱疯涨到最贵的每公斤 9 元钱。同比 40 多倍的增长！！专家们说： 09 年大蒜的疯狂是因为 08 年大蒜丰收，价格大跌，导致 09 年大蒜栽种面积减少三分之一，是 09 年大蒜价格飙升的主因。笔者当时评论说：如果不加以引导，这种农产品一高一低的 “ 抽疯 ” 现象还会继续。果然就应验了！—— 今年专家们又说，菜卖不出去是因为去年菜卖得好，很多农户都或者扩大了种植面积，或者改种蔬菜。想起当年笔者批评茅于轼们的论点：将笔者当初写的博客 copy 在这里：茅先生们最基本的观点，无非是 “ 土地和粮食都是商品，应该让市场自己去调节，而不应该政府干预。 ” 这种观点，说浅了是 “ 天真 ” ，说深了是 “ 无知 ” 。世上的商品都是按照市场规律自由流通的吗？当然不是！不然怎么会有 “ 走私 ” 、 “ 禁运 ” 、 “ 壁垒 ” 、 “ 制裁 ” ？最简单的例子：中美贸易的巨大逆差，真是由于美国人做不出足够卖给中国人的商品吗？当然不是。只要做过中美贸易的人都知道，中国人真想买的高技术商品，都在美国商务部的 “ 禁运 ” 名单上。至于说到粮食，至今在很多发达国家里，也没有真正被商品化。日本对农民种粮食的补贴和对农产品进口的壁垒，是众所周知的、特别是令美国人很不高兴的事。而在很多国家，土地的转让和买卖更是受到限制。在我们具体讨论的中华人民共和国里，土地更是从来就没有商品化过：其所有者是国家，而可以买卖、转让的只是使用权而已，并非土地本身。即使具有某些 “ 商品 ” 的属性，粮食和土地也并不遵循 “ 一般 ” 的市场规律。在这个问题上，凸现出茅先生一类所谓经济学家的 “ 无知 ” 。他们不知道，任何一种科学研究的对象，其最基本的性质，应该是 “ 惯性 ” ，也就是类似力学里质量的那个量。这个 “ 惯性 ” 决定了对象的本质，而其发展变化的规律，就是具有不同 “ 惯性 ” 的对象对不同外界作用（在力学里用 “ 力 ” 来表征）的响应。具体的表现，就是这个对象对外界作用响应的时间尺度。 “ 惯性 ” 越大，这个时间尺度越长。对于粮食来说，很明显，其特征时间尺度应该以年来计量，而多数商品对外界作用响应的时间尺度是很短的：比如股票的特征响应时间是以分秒计算的，而很多商品是以天、周、或者月来计算。对于土地来说，特征时间尺度更长：把耕地改作他用（比如建房），时间尺度至少两年以上（从土地使用权出售到住户入住）；而把已经作他用的土地改回耕地，到收获粮食，时间更长！这样长的响应时间，与人对粮食这种商品的需求时间：几个小时（两次进食之间的时间），到几天、十几天（人不进食可以存活的时间），相比起来实在是相差太远。等到市场可以响应（在保证耕地面积的前提下，要一年；连土地都市场化的情况下，要几年），已经不知有多少人会因为饥饿而染病、甚至死亡！正是因为如此短的需求时间和如此长的响应时间的巨大矛盾，使得所谓商品、市场的一般规律在这里不再适用，或者说，在十天半个月这样小的时间尺度上适用，在几年、几十年这样国家中长期规划的大时间尺度上不适用。而 “18 亿亩红线 ” 和茅先生们的《粮食安全和耕地保护》报告，说的正是这样的大时间尺度问题！如果茅先生们真要进行一点学术研究，就该老老实实坐下来，研究一下这些 ABC 的问题。所以说，种地——无论种粮食还是种蔬菜，也是要讲一点物理学的。也就是说，在不同的时间尺度上，问题会有本质的不同。影响我们日常生活的变化的时间尺度，可以短到秒。所以国际单位制以米 - 公斤 - 秒制为基础。但是如前所述，人类生存的特征时间尺度一般是以天计。所以有所谓地震之后几天的抢救黄金时间。而农产品的生产周期至少以几个月来量度。这就决定了懂一点“种地物理学”的重要。特别是那些觉得自己懂了一点经济学的“专家们”，更应该学一点。五一假期将至，大家节日愉快！; 个人分类: 学海无涯|3568 次阅读|3 个评论

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